Поверхневі напівпровідникові хвилі в напівпровідникових структурах

Hа основi аналiза вивчених стуктуp ZnO/Al2O3 встановлено, що шаpи окису цинку в нашому випадку мають концентpацiї електpонiв no = 1,6¸2,8. 1019 cm-3, pухливостi mL = 1,1¸3,1 сm2/(Вс) та пpовiднiсть so =110¸200 W-1cm-1.

Диспеpсiйний аналiз спектpiв дозволив визначити частоти та коефiцiєнти затухання фононiв та плазмонiв, якi змiнюються в залежностi вiд технологiї оpтимання та обpобки шаpiв окису цинку. В pоботi показано, що спектpи IЧ вiдбиття ZnO/Al2O3 добpе моделюються пpи викоpистаннi частот поздовжних та попepечних оптичних фононiв (Е1) окису цинку 591 та 413 сm-1 та аксiальних (А1) фононiв вiдповiдно 570 та 380 сm-1[9,10].

Оптична дiагностика анiзотpопних стpуктуp пpи викоpистаннi диспеpсiйного аналiзу дозволила отpимати значення пpовiдностi та pухливостi носiїв заpядiв тонких шаpiв окису цинку на сапфipi.

Підписи до рисунків.

Рис.1. Спектри відбивання структури ZnO/Al2O3.

1-експеримент, d = 0,1 mm, 2 - розрахунок при = 412 сm-1 та =12 сm-1, = 480 сm-1, =800 сm-1, 3 - розрахунок шару ZnO (без підкладки).

Рис.2. Спектри структури ZnO/Al2O3.

1-експеримент, d = 0,5 mm, 2 - розрахунок при = 412 сm-1 та =15 сm-1, = 400 сm-1, =870 сm-1, 3 - розрахунок шару ZnO (без підкладки).

5. Поверхневі поляритони в системі ZnO на сапфірі .

Монокристаллічні шари напівпровідникових сполук, зокрема, епітаксіальні шари напівпровідників на діелектричних підкладках, перспективні для застосування в інтегральній оптоелектроніці та НВЧ електроніці, тому ведеться розробка нових, в том числі оптичних, методів дослідження поверхності діелектричених підлкладок та гетероепітаксіальних структур на їх основі.

Електрофізичні властивості тонких шарів відрізняються від властивостей монокристалів. Наявність підкладки призводить до прояви пограничних та хвилевідних поляритонів та взаємодії поверхневих коливних станів шару з подібними підкладки. В дослідах по вивченню ПП в системі шар - підкладка методом спектроскопії модифікованого повного внутршнього відбивання (ППВВ) товщина d одного з середовищ повинна бути менше або порядку довжини хвилі падаючого випромінювання, щоби падаюче випромінювання могло достигти другої границі розподілу.

При цьому предполагається, що напівпровідник є неполярним та його оптичні коливання не вносять вкладу в діелектричну проникність. В цьому випадку появляються додаткові хвилі як Н-, так і Е-типу, що розповсюджуться вдздовж границь розподіла. В експериментах по дослідженню ПП в системі шар-підкладка методом ППВВ схема досліду наступна. На підкладку 3 наносився оптично активний щар 2, відділений зазором 1 товщиною dз від призми ППВВ. Діелектричні проникності окрумих шарів цієї тришарової системи позначаються нижче через e; (i = 1, 2, 3). В тришаровій системі існують дві границі розподілу: шар - зазор та підкладка - шар. В спектрах ППВВ спостерігаються пограничні моди, що виникають на обох границях розподілу. При досить малій товщині шару d ПП взаємодіють між собою.

Можна отримати розв`язок для поверхневих нерадіаційних мод в тришаровій системі. Відповідна дисперсійна залежність має вигляд

де d - товщина шару 2, а . Для досить товстого шару, коли >>1, маємо дисперсійні залежності для кожної з границь.

При відсутності діелектричної плівки поверхневий плазменний поляритон на границі напівпровідник - вакуум характеризується одною кривою дисперсії. Після нанесення шару залежність розщіплюється на дві гілки. Крім цього, виникає поверхневий фононний поляритон на границі розподілу діелектрик- вакуум. При зменшенні d, коли становиться порядка одиниці або менше її, частоти всіх гілок змінюються зі зміною d. Можна говорити лише про змішані поверхневі плазмон-фононні моди системи.

Характеристики поверхневих та пограничних поляритонів можуть бути використані для визначення властивостей тонких плівок (зокрема, епітаксіальних шарів).

На данному этапі досліджень тонкошарових структур методом поляритонної спектроскопії досить актуальним є розгляд систем анізотропний шар на ізотропній та анізотропній підкладці.

Однак відомо, що напилення плівки на поверхню плавленого кварцу призводить до змін в поверхневому шарі кварцу, що не дає можливості точно врахувати ці особливості при розрахунку спектрів ЗВ и ПП. Частоти продольних та поперечних оптичних фононів визначаються з спектрів ІЧ відбивання плівок на підкладках кремнія та метала, що значно зменшує точність моделювання системи. В работах не враховувалась можлива наявність високих концентрацій носіїв зарядів, котрі також істотно впливають на частоту и затухання ПП. Тому представляеться перспективним дослідження окисц цинка на лейкосапфірових підкладках .

Система шар окису цинку на сапфірі має поверхневі та граничні поляритони шару та підкладки, взаємодія між якими проявляється в дисперсійних залежностях, просторовій структурі полів та коефіцієнтах затухання граничних та поверхневих коливань.

Монокристали лейкосапфіра часто використовуються як підкладки при епітаксіальному вирощуванні монокристалічних шарів напівпровідникових сполук. В гексагональній установці площина, що перпендикулярна до осі z, позначається як (0001), а в ромбоедрічній – (111). З можливої різноманітності орієнтацій сапфіра для эпитаксиального нарощування перевагу віддають орієнтаціям з щільно упакованими площинами (0001),, на яких отримуються шари з високою рухливістю носіїв зарядів.

Тонкі текстуровані плівки окису цинку знаходять широке застосування в оптоелектроніці. Варіюючи умови їх синтезу, використовіуючи отжиг та легування, можна отримати плівки з питомим опором від 10-4 до 1011 Om.cm. Використано сильнолеговані індієм, алюмінієм, галієм шари окису цинка на підкладці сапфіру, отримані методом плазмохімічного осаду з газової фази з використанням високолетючих металлоорганічних сполук бетадикетонатів цинку, індію, алюмінію та галію. Вказаний метод дозволив знизити температуру нагріву підкладки до 100-1500С в порівнянні з температурами 350-4500С при використовуванні методу термічного рокладу. Отримані шарии окису цинку на сапфірі досліджувались методами спектроскопії поверхневих поляритонів. Спектри ППВВ ПП в діапазоні 400-1400 cm-1 отримані на спектрометрі ИКС-29 з приставкою НПВО-2 та елементом ППВВ з КРС-5. При розрахунках спектрів ППВВ ПП та дисперсійних завлежностей ПП використано модель системи активний шар на активній підкладці . При розрахунках використано орієнтацію системи Е^С та ху||C, де С- оптична вісь шару та підкладки .